心電檢測是在強(qiáng)共模干擾下的微弱信號檢測,為了提高電路的共模抑制比,常采用對消驅(qū)動電路(右腿驅(qū)動)來提高共模抑制比。
心電信號是人體特定的點(diǎn)與點(diǎn)之間的差模電壓,信號幅度在0.5mV~8mV之間,典型值為1mV.心電受到的工頻干擾非常強(qiáng),一般情況下人體的工頻幅值在V級,比心電信號大3個數(shù)量級,工頻干擾常以共模形式出現(xiàn)。
在如此強(qiáng)的工頻干擾中檢測出微弱的心電信號是一大挑戰(zhàn),這就要求運(yùn)放具有很高的共模抑制比,一般要求在60~120dB之間,太低了影響心電圖機(jī)性能,太高的運(yùn)放成本上會讓人難以接受。采用高共模抑制比的前置放大器,如在50Hz時80dB共模抑制比的儀表放大器是屬于性能比較好的產(chǎn)品,這樣工頻干擾的幅值還是達(dá)到了信號幅值的十分之一,對于醫(yī)生診斷來說是不能接受的,心電圖機(jī)普遍采用對消驅(qū)動電路來進(jìn)一步增強(qiáng)共模抑制能力。
U2A和R9,R10,R11,C7共同組成了右腿驅(qū)動電路,其原理是通過R6,R7從人體取出共模電壓反向加到人體。下面我們通過公式來說明對消驅(qū)動的作用,計算中忽略C5,C6,1A,U1B 的誤差對共模抑制比的影響,同時R10和C7是為了系統(tǒng)穩(wěn)定而設(shè)計的,不影響低頻時共模抑制比的計算,計算時忽略,公式推導(dǎo)如下:
U1A,U1B作用是阻抗變換的跟隨器,有:
Vcom=Vin (1)
U2A 組成了一個反向放大器,其傳遞函數(shù)為:
Vout=-(R9*Vcom)/R8 (2)
根據(jù)基爾霍夫電流定律有:
(V1-Vin)* jwC11=Vin* jwC2+(Vin-Vout )/R11 (3)
得到Vin傳遞函數(shù)為:
Vin=R8*R11*JWC2/(R8*R11* jwC1+R8*R11* jwC2+jwC1* jwC2*R8+ jwC1* jwC2*R9 ) (4)
帶入常用電路的典型參數(shù):
R8=10kΩ,R11=100kΩ,R9=1M,C2=100pf不考慮電容的相位影響,略去極小項則:
Vin=R8*R11* jwC2/(R8+R9) (5)
在以上參數(shù)下Vsub>in幅值為:
Vin=1 /3000=-69dB (6)
按照上述參數(shù)設(shè)計的右腿驅(qū)動電路理論上可以提供69dB的共模抑制比,這是一個對消驅(qū)動簡化模型,實(shí)際電路中考慮到阻容的誤差,濾波電容對相位的影響,運(yùn)放的延遲等等,右腿驅(qū)動的共模抑制能力會劣化甚至產(chǎn)生震蕩,具體的電路需要根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。